波形發(fā)生器課程設(shè)計(jì)

1、<p><b>　　《波形發(fā)生器》</b></p><p><b>　　課程設(shè)計(jì)報(bào)告</b></p><p>　　專 業(yè)： 電氣工程及其自動(dòng)化</p><p>　　班 級(jí)： 08級(jí)</p><p>　　姓 名： </p><

2、;p>　　指導(dǎo)教師： </p><p>　　2011年 11 月13日</p><p>　　目 錄</p><p>　　一、設(shè)計(jì)題目：波形發(fā)生器</p><p><b>　　二、設(shè)計(jì)目的 </b></p><p>　　1、 研究正弦波等振蕩電路的振蕩條件。 &l

3、t;/p><p>　　2、 學(xué)習(xí)波形產(chǎn)生、變換電路的應(yīng)用及設(shè)計(jì)方法以及主要技術(shù)指標(biāo)的測(cè)試方法。 </p><p>　　三、設(shè)計(jì)要求及主要技術(shù)指標(biāo) </p><p>　　設(shè)計(jì)要求：設(shè)計(jì)并仿真能產(chǎn)生方波、三角波及正弦波等多種波形信號(hào)輸出的波形發(fā)生器。</p><p>　　1、方案論證，確定總體電路原理方框圖。 </p><p>

4、;　　2、單元電路設(shè)計(jì)，元器件選擇。 </p><p>　　3、仿真調(diào)試及測(cè)量結(jié)果。 </p><p><b>　　主要技術(shù)指標(biāo) </b></p><p>　　1、正弦波信號(hào)源：信號(hào)頻率范圍20Hz～20kHz 連續(xù)可調(diào)；頻率穩(wěn)定度較高。信號(hào)幅度可以在一定范圍內(nèi)連續(xù)可調(diào)；</p><p>　　2、各種輸出波形幅值均連續(xù)可

5、調(diào)，方波占空比可調(diào)；</p><p>　　3、設(shè)計(jì)完成后可以利用示波器測(cè)量出其輸出頻率的上限和下限，還可以進(jìn)一步測(cè)出其輸出電壓的范圍。</p><p>　　四、仿真需要的主要電子元器件 </p><p>　　1、運(yùn)算放大電路 2、滑線變阻器 3、電阻器、電容器等 </p><p>　　五、設(shè)計(jì)報(bào)告總結(jié)（要求自己獨(dú)立完成，不允許抄襲）。<

6、/p><p>　　1、 對(duì)所測(cè)結(jié)果（如：輸出頻率的上限和下限，輸出電壓的范圍等）進(jìn)行全面分析，總結(jié)振蕩電路的振蕩條件、波形穩(wěn)定等的條件。 </p><p>　　2、 分析討論仿真測(cè)試中出現(xiàn)的故障及其排除方法。 </p><p>　　3、 給出完整的電路仿真圖 。</p><p><b>　　4、 體會(huì)與收獲。</b><

7、/p><p><b>　　一、方案論證與比較</b></p><p>　　方案一： 先用一塊LM358運(yùn)放做出方波經(jīng)過積分電路獲得三角波，再由三角波經(jīng)過低通濾波轉(zhuǎn)為正弦波。</p><p>　　.原理圖及PCB圖 </p><p><b>　　電　路　圖</b></p><p>

8、;<b>　　PCB　原　理　圖</b></p><p><b>　　ＰＣＢ　封　裝　圖</b></p><p>　　五.電路的分析與計(jì)算</p><p>　　沒有接通時(shí)，，滯回比較器V0=+UZ，則集成運(yùn)放同相輸入端，同時(shí)給C充電，使VR由0上升，在Vi之前，不變；當(dāng)時(shí)，V0跳變到-VZ。</p><

9、p>　　當(dāng)V0=-VZ時(shí),,同時(shí)C經(jīng)反向輸入端等效電阻）使VR降低，在VR＞Vi之前V0=-VZ不變，當(dāng)VR＜Vi時(shí)，Vi跳變到+VZ</p><p><b>　　圖5.0.1</b></p><p><b>　?。?）方波部分</b></p><p>　　方波的波幅由穩(wěn)壓管的參數(shù)決定，這里使用１０Ｖ，方波的周期取決

10、于充放電回路RC的數(shù)值。若R或C其中一個(gè)增大，和周期T均會(huì)增大，頻率f也會(huì)增大。</p><p><b>　　計(jì)算周期T：</b></p><p>　　通過對(duì)方波發(fā)生電路的分析，可以想象，與改變輸出電壓的占空比，就必須使電容正向和反向充電的時(shí)間常數(shù)不同。利用二極管的單向?qū)щ娦钥梢砸龑?dǎo)電流流經(jīng)不同的通路，則占空比可調(diào)。</p><p><b

11、>　　則可求出周期T：</b></p><p>　　帶入值得T=48.4</p><p>　　f=1/T=20KHz</p><p><b>　　圖5.0.2</b></p><p><b>　?。ǎ玻┤遣ú糠?lt;/b></p><p>　　在方波發(fā)生電路中

12、，當(dāng)閾值電壓數(shù)值較小時(shí)，可將電容兩端的電壓看成為近似三角波。所以只要將方波電壓作為積分運(yùn)算電路的輸入，在其輸出就得到三角波電壓。如圖5.2.2的仿真結(jié)果所示，當(dāng)方波發(fā)生電路的輸出電壓u01=-Uz時(shí)，積分運(yùn)算電路的輸出電壓u0將線性下降；而當(dāng)u01=Uz時(shí)，將線性上升。</p><p><b>　　圖5.2.1</b></p><p>　　積分電路的輸入電壓u01，而

13、且u01不是+Uz，就是-Uz，所以輸出電壓的表達(dá)式為</p><p>　　式中u0(t0)為初態(tài)時(shí)的輸出電壓。設(shè)初態(tài)時(shí)u01正好從-Uz躍變?yōu)?Uz,則式子變?yōu)?lt;/p><p>　　積分電路反向積分，u0隨時(shí)間的增長(zhǎng)線性下降，一旦u0=-UT，再稍減小，u01將從+Uz躍變?yōu)?Uz。式子變?yōu)?lt;/p><p>　　U0(t1)為u01產(chǎn)生躍變時(shí)的輸出電壓。積分電路正

14、向積分，u0隨時(shí)間的增長(zhǎng)線性增大，一旦u0=+UT，再稍加增大，u01將從-UZ躍變?yōu)?UZ，回到初態(tài)，積分電路又開始反向積分。電路重復(fù)上述過程，因此產(chǎn)生自己震蕩。</p><p>　　由以上分析可知，u0是三角波，幅值為±UT；u01是方波，幅值為 ±UZ，由于積分電路引入了深度電壓負(fù)反饋，所以在負(fù)載電阻相當(dāng)大的變化范圍里，三角波電壓幾乎不變。</p><p>　　設(shè)

15、正向積分起始值為-UT，終了值為+UT，積分時(shí)間為二分之一周期，則有</p><p><b>　　+UT=</b></p><p><b>　　得出震蕩周期</b></p><p><b>　　震蕩頻率</b></p><p>　　調(diào)節(jié)電路中的R5，可以改變震蕩頻率和三角波的幅

16、值。</p><p><b>　　仿真結(jié)果：</b></p><p><b>　　圖5.2.2</b></p><p><b>　　（3）正弦波部分</b></p><p>　　在三角波電壓為固定頻率或頻變化很小的情況下，可以考慮用低通濾波（或帶通濾波）的方法將三角波變換為正弦

17、波，輸入電壓的頻率等于輸出電壓的頻率。</p><p>　　將三角波按傅里葉級(jí)數(shù)展開</p><p>　　其中Um是三角波的幅值。</p><p>　　電路如下圖5.3.1</p><p><b>　　圖5.3.1</b></p><p><b>　　仿真結(jié)果：</b><

18、;/p><p><b>　　圖5.3.2</b></p><p>　　方案二：由RC橋式正弦波振蕩器產(chǎn)生正弦波，經(jīng)過滯回比較器輸出的方波經(jīng)過積分器積分可得到三角波，三角波又觸發(fā)比較器自動(dòng)翻轉(zhuǎn)形成方波，然后經(jīng)過同相輸入遲滯比較器和充放電時(shí)間常數(shù)不等的積分器，共同組成鋸齒波電壓產(chǎn)生器電路。</p><p><b>　　總設(shè)計(jì)框圖：</b

19、></p><p>　　1.系統(tǒng)的全部功能、要求及技術(shù)指標(biāo)</p><p>　　1.可實(shí)現(xiàn)正弦波，并且正弦波在信號(hào)頻率范圍20Hz～20kHz 連續(xù)可調(diào)；頻率穩(wěn)定度較高。實(shí)現(xiàn)了方波，三角波，鋸齒波，并且信號(hào)幅度可以在一定范圍內(nèi)連續(xù)可調(diào)</p><p>　　2. 各種輸出波形幅值均連續(xù)可調(diào)，方波占空比可調(diào)</p><p>　　2．確定設(shè)計(jì)

20、框圖（系統(tǒng)包含的單元電路及結(jié)構(gòu)）和總體設(shè)計(jì)方案</p><p>　　3..單元電路分析及計(jì)算</p><p>　　RC橋式正弦波振蕩器（文氏電橋振蕩器）</p><p><b>　　基本原理圖：</b></p><p>　　RC橋式可由四部分組成：分別為放大電路，選頻網(wǎng)絡(luò)，正反饋網(wǎng)絡(luò)，穩(wěn)幅環(huán)節(jié)。其中RC串，并聯(lián)電路構(gòu)成正

21、反饋支路，同時(shí)兼做選頻網(wǎng)絡(luò)，R1，R2，R4及二極管等元件構(gòu)成負(fù)反饋和穩(wěn)幅環(huán)節(jié)。調(diào)節(jié)電位器R1，可以改變負(fù)反饋深度，以滿足振蕩的振幅條件和改善波形。利用兩個(gè)反向并聯(lián)二極管D1，D2正向電阻的非線性特性來實(shí)現(xiàn)穩(wěn)幅。D1,D2采用硅管（溫度穩(wěn)定性好），且要求特性匹配，才能保證輸出波形正、負(fù)半周對(duì)稱。R3的接入是為了削弱二極管非線性的影響，以改善波形失真。</p><p>　　RC并聯(lián)選頻網(wǎng)絡(luò)的頻率特性</p&g

22、t;<p><b>　　整理得：</b></p><p><b>　　最終得：</b></p><p><b>　　振幅平衡條件</b></p><p><b>　　仿真圖：</b></p><p>　　方波，三角波形成電路：</p&g

23、t;<p><b>　　方波原理圖</b></p><p><b>　　方波原理分析：</b></p><p><b>　　計(jì)算周期：</b></p><p>　　T=2T1=2RCln(1+2R2/R1)</p><p><b>　　三角波發(fā)生電路：&

24、lt;/b></p><p><b>　　三角波原理圖：</b></p><p>　　三角波，方波發(fā)生器：</p><p><b>　　基本原理圖：</b></p><p>　　把比較器U2輸出的方波經(jīng)積分器U3積分可得到三角波，三角波又觸發(fā)比較器自動(dòng)翻轉(zhuǎn)形成方波，這樣即可構(gòu)成三角波、方波發(fā)生

25、器。由于采用運(yùn)放組成的積分電路，因此可實(shí)現(xiàn)恒流充電，使三角波線性打打改善。</p><p><b>　　電路振蕩頻率：</b></p><p>　　f=R8/4R9(R12+R11)Cf（阻值參照下圖）</p><p><b>　　方波幅值：</b></p><p>　　U=Uz 可以取正負(fù)值&l

26、t;/p><p><b>　　三角波幅值：</b></p><p>　　U=(R1/R2)Uz</p><p><b>　　方波三角波仿真圖：</b></p><p><b>　　鋸齒波發(fā)生電路：</b></p><p><b>　　鋸齒波原理圖：

27、</b></p><p>　　它包括同相輸入比較器和充放電時(shí)間常數(shù)不等的積分器兩部分。</p><p><b>　　門限電壓的估算:</b></p><p>　　Vp=Vi-[(Vi-Vo)/(R1+R2)]R1</p><p>　　考慮電路翻轉(zhuǎn)：Vn=Vp=0得</p><p>　　

28、Vi=Vt=-(R1/R2)Vo1</p><p>　　得上門限電壓為Vt=(R1/R2)Vz</p><p>　　得下門限電壓為Vt=-(R1/R2)Vz</p><p>　　門限寬度為上門限與下門限之差。</p><p><b>　　工作原理：</b></p><p>　　設(shè)t=0時(shí)接通電源，

29、有Vo1=-Vz經(jīng)R4向C充電，使輸出電壓按線性規(guī)律增長(zhǎng)。當(dāng)Vo上升到門限電壓Vt，使Vp=Vn=0時(shí)，比較器輸出Vo1由-Vz上升到+Vz,同時(shí)門限電壓下跳到Vt-值。以后Vo1=+Vz經(jīng)R4和D、R6兩支路向C反向充電，由于時(shí)間常數(shù)減小，Vo迅速下降到負(fù)值。當(dāng)Vo下降到門限電壓Vt-使Vp1=Vn1=0時(shí)，比較器輸出Vo1又由+Vz下跳到-Vz。如此周而復(fù)始，產(chǎn)生振蕩。由于電容C的正向與反向充電時(shí)間常數(shù)不相等，輸出波形Vo為鋸齒波電

30、壓，Vo1為矩形波電壓。</p><p>　　忽略二極管的正向電阻，其振蕩周期；</p><p>　　T=T1+T2=2R1 R4 C/R2+2R1(R4||R6)C</p><p>　　=2R1R4C(R4+2R6)/R2(R4+R6)</p><p>　　當(dāng)R6、D支路開路，電容C的正、反向充電時(shí)間常數(shù)相等時(shí)，此時(shí)鋸齒波就變成三角波，從而

31、電路也就變成了方波，三角波產(chǎn)生電路。</p><p>　　振蕩周期：T=4R1R4C/R2</p><p>　　三、系統(tǒng)仿真調(diào)試分析</p><p><b>　　1、軟件仿真原理圖</b></p><p><b>　　2、模擬仿真過程</b></p><p><b>

32、;　　正弦波起始振蕩狀態(tài)</b></p><p><b>　　后正常正弦振蕩狀態(tài)</b></p><p><b>　　方波振蕩狀態(tài)</b></p><p>　　三角波起始振蕩狀態(tài)：</p><p><b>　　后三角波正常狀態(tài) </b></p><

33、;p><b>　　鋸齒波振蕩狀態(tài)：</b></p><p><b>　　各項(xiàng)指標(biāo)測(cè)試：</b></p><p><b>　　正弦波：</b></p><p><b>　　頻率：</b></p><p><b>　　電壓：</b>

34、</p><p><b>　　方波：</b></p><p><b>　　頻率：</b></p><p><b>　　電壓：</b></p><p><b>　　三角波：</b></p><p><b>　　頻率：<

35、/b></p><p><b>　　電壓：</b></p><p><b>　　鋸齒波：</b></p><p><b>　　頻率：</b></p><p><b>　　電壓：</b></p><p><b>　　四

36、、數(shù)據(jù)與調(diào)試分析</b></p><p>　　1.從數(shù)據(jù)記錄中可以看到誤差:</p><p>　　頻率最小值誤差：31.335</p><p>　　最大值誤差：1.023KHZ</p><p>　　正弦波幅值誤差：10.972V</p><p>　　方波幅值誤差：1.618V</p><

37、p>　　三角波幅值誤差：4.4V</p><p>　　鋸齒波幅值誤差：10.996V</p><p>　　因?yàn)檫\(yùn)用了RC正弦振蕩電路，比較器，積分器，可變電阻來實(shí)現(xiàn)波形的穩(wěn)定和可調(diào)。電壓范圍在1.004V到7.6V可調(diào)，頻率在1.023KHZ到20KHZ可調(diào)，由于參數(shù)設(shè)置上有一定的偏差，致使在測(cè)量過程中數(shù)據(jù)有一定波動(dòng)，電路不太穩(wěn)定。</p><p><b

38、>　　五、心得體會(huì)</b></p><p>　　通過這次對(duì)波形發(fā)生器的制作和設(shè)計(jì)，讓我更加明白了設(shè)計(jì)電路的程序，也讓我更加深入了解了波形發(fā)生器的設(shè)計(jì)理念和思路。其實(shí)這次實(shí)驗(yàn)做得并不是很順利，在運(yùn)行過程中碰到了很大的困難，比如出不來圖形反而出現(xiàn)了錯(cuò)誤，出來了圖形但是嚴(yán)重失真等。一開始還比較迷茫，但是我沒有失去信心，通過不斷地改變阻值，改變接法，終于大體上算是成功了。但是有點(diǎn)遺憾就是波形還是有點(diǎn)微微

39、失真，電壓、頻率等幅值誤差還是較大。我想這是促使我要更加努力地學(xué)習(xí)課本知識(shí)來完善電路。</p><p>　　在這里我要感謝老師的幫助，因?yàn)槔蠋煹奶嵝?，讓我的電路更加可行，使用。也因?yàn)槔蠋煟屛腋佑行判娜パ芯啃碌姆椒ā?lt;/p><p><b>　　六、參考文獻(xiàn)</b></p><p>　　1.彭介華．電子技術(shù)課程設(shè)計(jì)指導(dǎo)．北京：高等教育出版社，

40、2005</p><p>　　2.陳大欽主編．電子技術(shù)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)—電子電路實(shí)驗(yàn)·設(shè)計(jì)·仿真．北京：高等教育出版社，2000</p><p>　　3.高吉祥主編．電子技術(shù)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)與課程設(shè)計(jì)．北京：電子工業(yè)出版社，2002</p><p>　　4．鄭步生. Multisim2001電路設(shè)計(jì)及仿真入門與應(yīng)用.電子工業(yè)出版社.2002</p>